纳米记忆元件推动电子科技实现重大突破

于凌宇，刘夏飞

(1.河南大学濮阳工学院,河南濮阳　457000;

2.濮阳市人民防空办公室，河南濮阳　457000)

于凌宇(1957—)，男，河南濮阳人，工学学士，三级教授，主要研究方向为电子元件与材料；

E-mail：ylycn@126.com

刘夏飞(1985—)，男，河南焦作人，理学学士，主要研究方向为光电科技。



综述

纳米记忆元件推动电子科技实现重大突破

于凌宇1，刘夏飞2

(1.河南大学濮阳工学院,河南濮阳457000;

2.濮阳市人民防空办公室，河南濮阳457000)

摘要：该文阐述了纳米记忆元件的内涵和工作机理，探讨了记忆元件的国内外研发进展，深入分析了记忆元件对电子科技的重大突破。为我国紧密跟踪记忆元件科技前沿，精准找好切入点，奋力抢占制高点提供一定的技术基础。

关键词：记忆元件；忆阻器；忆容器；忆感器；研发；突破

0引言

2008年电子科技界爆出了震惊全球的新闻，美国惠普公司实验室研究人员宣称成功设计出了世界首个能工作的忆阻器原型，并表示这是电路世界中存在的第四种基本元件。这项重大发现被评为当年的国际十大科技新闻。从此，在世界范围内，掀起了记忆元件研发应用的科技革命新浪潮。

由于记忆元件的研发战略，涉及技术、经济、应用和市场等诸多层面，必须从全局着眼，统筹兼顾，深入研究，才能够高效推进和科学发展。

1纳米记忆元件的内涵和工作机理

忆阻器是最先问世的一种纳米记忆元件。纳米记忆元件包括忆阻器(MR，又称忆阻、记忆电阻器)、忆容器(MC，又称忆容、记忆电容器)和忆感器(ML，又称忆感、记忆电感器)。

在传统电路中，电路的基本元件只有三种无源元件，即电阻器(R，简称电阻)、电容器(C，简称电容)、电感器(L，简称电感)。而在现代电路中，由于三种无源记忆元件的出现，电路的基本元件将扩充至六种，从而组成了完备的无源基本电路元件集。

之所以称为纳米元件，是因为这种元件的电子特性微弱，仅显现于大规模系统中，必须做成纳米尺寸，只有在纳米尺度上和纳米级电路中，他们的工作状态才可以被察觉到，才变得重要，并因此而有用。因为随着元件的减小，电场的驱动力变得越来越大，而需要用于产生电子特性变化的原子运动变得更小，两种趋势相互加强，直到它们最终支持记忆电子特性的出现。

简而言之，记忆效应有赖于原子级移动，而这种移动，只有在纳米尺寸的元件中，才能得以实现。

专家们认为，制造记忆元件的最大极限尺寸是5纳米，超越极限尺寸，将会产生电流泄漏等诸多问题，记忆元件的弱特性也难以展示。

之所以称为记忆元件，是因为这种元件即使在关闭电源的情况下，仍然具备记忆关闭电源前自身电参数历史的功能。

2记忆元件[1]国内外研发进展

记忆元件，是目前众多发达国家、领袖企业竞相研发的高新基本电路元件。

专家们认为，虽然对记忆元件的机理尚未完全明了，但国际间的技术竞争和应用竞争已达到白热化程度，这必将引发新一轮的电子革命。

据了解，自美国惠普公司推出忆阻器原型之后，世界发达国家对记忆元件的研发浪潮日益高涨，至今已有十多个国家的上百个高校院所、企业集团参与其中。不仅英国、德国、日本、法国、俄罗斯、韩国、澳大利亚、荷兰、比利时等国的科技界、工业界积极介入，美欧军方也高度重视，在此研发工作中砸下重金。

2.1国外记忆元件研发动态

2.1.1国际忆阻器[2]研发格局

1971年，美国加州大学电子专家蔡少堂在IEEE电路理论学报第18册发布了“寻获失落的忆阻器”论文，但尚未制造出产品。

1976年，蔡少堂在IEEE学报第64册发布了“忆阻器件和系统”论文，并做出了一个模拟器。

1980年，蔡少堂在IEEE电路学报第27册发布了“最先进的动态非线性网络”论文，对忆阻器及有关非线性电路元件提出了建模理论。

1995年，惠普实验室在化学家Stanley Williams领导下，成立了“量子结构研究组织”，旨在开发分子级产品来代替晶体管开关。

2002年，蔡少堂在IEEE学报第91册发布了“纳米器件的非线性电路基础”论文，把忆阻器融入了他的非线性电路理论中。

2005年，IEEE为蔡少堂颁发了Gustav Robert Kirchhoff奖，称他为非线性电路理论和细胞神经网络之父。

2006年，惠普公司在美国为全球首款实用忆阻器申请了发明专利。

2008年，惠普公司实验组组长斯坦·威廉姆斯声称，他们研制出了全球第一个忆阻器。惠普实验室在《自然》杂志上发布论文，对基于半导体中充电掺杂物漂移的忆阻器件进行了描述，并提出了忆阻器的两种重要应用，即在非易失性阻性随机访问存储器(RRAM)和模仿大脑神经网络的电子神经键中的应用。

多年来，惠普公司一直宣称，其忆阻器能够同传统的存储器进行PK，能与闪存竞争，其存储密度高达每平方英寸20GB，是闪存的两倍。

近年来，惠普公司为保持记忆元件高新科技的领先地位，已累积注册了500多个忆阻器专利。

2009年，荷兰泽尼克先进材料研究院采用Ag/Ge2Sb2+xTe5/Mo结构研究了Sb过剩的Ge2Sb2+xTe5薄膜的忆阻特性。

2010年，韩国汉阳大学报道研制了一种在PET柔性衬底上的柔性透明忆阻器；韩国光州科学技术院报道研制了一种基于柔性材料PI:PCBM的IDIR结构柔性透明忆阻器。

2010年，位于比利时的欧洲最大独立研究中心—欧洲大学校际微电子中心(IMEC)，也开展了忆阻器技术的研究工作。

2011年，法国著名的电子与信息技术实验室(CEA-Leti)及微米与纳米技术创新中心(Minatec)联合组建了科学小组,深入研究HfO2薄膜中的忆阻机制。

2011年，俄罗斯科学研究院固体物理所研究了BiOx薄膜中的忆阻现象。

2012年，德国比勒菲尔德应用科学大学的高级物理学讲师安迪·托马斯博士及其同事制作出了一种具有学习能力的忆阻器。

2012年，英国伦敦大学(UCL)的研究团队研发出一种新型的内存芯片，其存储速度比现有的闪存要快一百倍左右，耗能只有现有标准闪存的千分之一，同时还拥有更大的存储密度。这种新芯片是第一种纯粹基于二氧化硅制造的电阻式记忆体(Resistive RAM——ReRAM)，即忆阻器芯片。

2014年，澳大利亚墨尔本皇家理工大学沙拉斯·斯利拉姆博士领导的功能材料与微系统研究小组，采用一种纳米级的非晶钙钛矿氧化物薄膜材料，开发出一种纳米级超快忆阻器。这种功能性氧化物材料极薄，其厚度比人类头发的直径还薄1000倍，在化学上显现“忆阻”效应，其存储的数据具有非易失性。专家声称，这种新型忆阻器是高稳定高可靠的纳米级存储设备的核心技术，是制造人工大脑的关键元件。相关论文作为《先进功能材料》杂志的封面文章，于2014年11月11日发表。

2.1.2国际忆容器[3]研发动向

2009年，美国加州大学电子专家、台湾新竹交通大学荣誉教授蔡少堂所领导的研究小组，制造出了世界第一个忆容器样品。

蔡少棠认为，记忆电容器可能比记忆电阻器的用途更为广泛，因为它们没有电阻。而且从理论上讲，记忆电容器在储存信息时可以不消耗能量，使用它们做什么都非常方便。

2.1.3国际忆感器研发动向

美国加州大学的蔡少堂教授，并不止步于在忆阻器、忆容器方面已经做出的贡献，他还致力于扩展基本电路元件的新理论，不断提出创新理念。他提出，如果把记忆电阻器和记忆电容器的特性综合起来制造出的记忆电感器，将会怎样呢？如果再把这些记忆元器件组合在一起，又会产生什么复杂效应呢？等等。

他们认为，面对如此众多的基础科学的重大疑问，需要进行战略思考和深入研究，科学制定分步实施的计划。但是，多方位、深层次开发忆阻器技术，从而带动和启迪各种记忆元件的研制，应该说是最优先的选择。

2.2国内记忆元件研发动态

2.2.1国内忆阻器研发动态

2009年，国际合作项目“忆阻器材料及其原型器件”由国家科技部立项启动，华中科技大学微电子学系主任、国家教育部长江学者缪向水教授担当该项目领军人。

通过不懈努力，2012年，缪向水带领的研发小组取得了可喜成就，在国内率先研发出了纳米忆阻器原型，赶上了国际研发进程。

缪向水通过深入研究，认为忆阻器的存储功能具有类似人脑的特征，它像人对强刺激有特定记忆一样，其记忆也会因电流强度的大小而出现明显差异，这种效应为忆阻器的智能化应用开创了光明前景。

2013年3月，由华中科大领衔，协同清华、北大、国防科大、中科院微电子所等单位，又联合申报了国家“973”计划项目。

2009年，南京大学对Ag30Ge17Se53电介质薄膜中的忆阻效应进行了深入研究。

2009年，北京大学率先提出，采用物理和化学性能稳定的柔性小分子忆阻材料—钛氧酞菁，可制备能反复擦写的柔性小分子存储器件。这种器件在525K的条件下，对数据的保持时间仍然超过1小时，这是单组份小分子存储器件热稳定性良好的见证。

2010年，清华大学对镍、钛、锆等过渡金属的氧化物忆阻器材料及元件工艺集成技术和相关机理模型进行了探索。

2010年，北京大学对基于聚对二甲苯材料的聚合物忆阻器机理进行了探讨。

2011年，北京大学对Ag/Ag2S/Ag结构下的忆阻效应进行了研究。

2013年，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)纳米物理与器件实验室张广宇研究组取得了一项重大发现，即虽然忆阻器和电致发光器件具有截然不同的结构和原理，但在忆阻器中可以同时实现存储和电致发光功能。

业界专家指出，在美国，仅仅一个惠普实验室，就组织了1000多名科学家群体研发忆阻器，世界各国介入此项研究的专家数量更是可想而知了。反观我国，对忆阻器的研发工作，人员分散，力量不强，相比之下显得势单力孤，难以与国外抗衡。因此，国内知名高校联合进行研发已是势在必行。

放眼全球，美国、德国、英国等发达国家的旗舰企业每年都会投入数以千万计的巨资进行研发，而我国的大型电子企业却缺少这种战略远见，很多企业往往是等着研发单位开发出成品后，才拿去试产，只有感到“对路”时才掏钱。这已成为制约研发的重要原因。

专家们估算，忆阻器的基础研发工作大约需要4000万元，推进到市场开发阶段，至少还需要投入10亿元以上，这不是一般企业所能承受的，必须得到企业巨头或者国家的大力支持才能高效地推进研发工作。

2.2.2国内忆感器[4]研发动态

2014年10月1日，清华大学本科生憨家豪和宋成副研究员，在国际著名期刊ACS Nano(美国化学会纳米)上发表了Realization of the meminductor(实现忆感器)的论文，该论文宣称，清华大学材料学院薄膜材料团队在记忆电子器件领域取得了重要进展，他们通过利用一种新发现的磁电阻机制——自旋霍尔磁电阻，采用铂/钇石榴石(Pt/YIG，Pt是一种顺磁性金属，YIG是一种铁磁绝缘体)系统，首次研制出了忆感器物理模型。

具有记忆功能的忆感器，在电子电路中具有重要意义，但由于人们对其物理机制缺乏深入研究，多年来仅停留在理论层面，其物理模型难以实现，成为制约电路小型化、集成化的一大难题。

在忆阻器、忆容器被发现后，作为记忆元件家族的另一成员，忆感器的研究开始得到重视。然而，忆感器的实现过程远比忆阻器复杂，因为忆阻器只需要电信号的参与，而忆感器则有电磁转换的本质要求。

2013年，由于一种新的磁电阻机制——自旋霍尔磁电阻的发现，为忆感器的研制提供了理论基础，使忆感器的问世成为可能。自旋霍尔磁电阻效应在Pt/YIG双层膜体系中被发现，当电流通过Pt时，由于自旋霍尔效应，不同自旋取向的电子将向相反方向偏移。当外加磁场使YIG的磁化方向与到达Pt/YIG界面处的电子自旋方向共线时，电子将最大程度地反射回Pt中，在反自旋霍尔效应的作用下形成附加电流，使Pt电阻降低。

利用自旋霍尔磁电阻实现忆感器的关键，是使通过Pt的外加电流自身产生的磁场磁化YIG，从而调控附加电流。实验数据和计算模拟发现，Pt/YIG体系具有类似于忆阻器的滞回现象，并能够记忆其断电前瞬间的电感值，从而确认了该体系记忆电感的特性。

忆感器和忆阻器、忆容器一起，为实现更高效率的逻辑电路、信息存储和人工智能提供了丰富的前景。

2.2.3国内忆容器研发动态

2014年，安徽铜陵市新泰电容电器有限责任公司电子专家孔祥新，发明了一种具有记忆功能的电容器用金属化薄膜[5]，并申请了国家发明专利，为忆容器的研发提供了材料来源。

3记忆元件对电子科技的重大突破

从某种意义上说,记忆元件正在引发电子科学技术产生一次重要变革。它将会导致电子领域的新功能取代数字时代走进模拟处理新时代,推动低功耗计算机、存储设备及新一类能够模拟学习、自适应和自发行为的神经形态器件和装置的产生及应用。

3.1延续摩尔定律

科学家们认为，最晩到2020年左右，对于有效描述半导体技术发展规则长达半个多世纪的“摩尔定律”将迎来技术极限的大考。目前，替代硅最有前途的材料是石墨烯，但究竟何种元器件能够继续推进芯片的小型化和高性能化，科学家们已经艰辛探索很长时间。

20世纪60年代，美国英特尔公司创始者戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律：在集成电路芯片上容纳的晶体管数目，大约每隔18个月时间就会增加一倍，技术性能就会提升一倍。但是，近几年，芯片的进一步小型化所遇到的技术局限越来越多。由于受到物理法则和资金的限制，在传统硅芯片技术上所能取得的进步越来越小，有人认为已经看到了芯片技术发展之路的尽头，芯片小型化即将止步，摩尔定律的有效期即将结束。

然而，记忆元件的出现，尤其是在忆阻器研制上取得的新进展，使忆阻器成为了集成电路的增压器，使用忆阻器部分取代晶体管的混合电路，可以大大缩小芯片的工艺尺寸，从而清除了阻止计算机存储器微型化道路上的主要障碍，使得计算机存储器可以继续推进微型化，摩尔定律也将会继续有效。

3.2结束闪存

专家们认为，当前最流行的存储技术将在10年内达到体积缩小的极限。为此，世界各国竞相研发新一代存储技术，争夺“终结闪存”技术的制高点。

权威人士认为：下一代存储技术必须满足非易失性(即断电后保存数据)、随机存取、低功耗、高速、高可靠性、高容量和高集成度等特征。

由于相变、铁电和磁随机等新型存储技术均各有优劣，难以同时满足上述所有要求。

而忆阻器作为新型电子存储器，不但同时满足上述条件，而且还与当前CMOS制造工艺兼容，这意味着它具有更低的改造成本，充分展示出其作为下一代存储器的强力竞争性。

美国惠普公司的科学家业已证明：忆阻器具有布尔逻辑运算功能。仅此就足以让“忆阻器速度”成为奇迹。

惠普公司专家预计，可以同时具有运行和存储功能的忆阻器芯片可能在2015年后问世，该芯片与闪存芯片相比，容量增大、能耗降低、速度提高，其存储容量是闪存芯片的2倍多，速度快10倍，而体积与闪存芯片相比缩小7到9倍。从而使设备可以在大大缩小的空间中提供倍增的存储容量，从而使设备更小，功能更强，成本更低，市场更大。

惠普公司高层曾宣称，他们将加快忆阻器芯片产品商业化的步伐。

3.3替代晶体管

对忆阻器而言，不仅势在成为“闪存终结者”，一个更大胆的设想是：接替晶体管。

对此，科学界保持了固有的谨慎，因为二者的功能不同、尺度不同、特性不同等等。但是，所有这些因素并不妨碍忆阻器取代晶体管。

其实，寻找晶体管的换代新产品，早已引起半导体工业界的高度重视。

自晶体管1947年问世以来，工业级晶体管已从厘米级、毫米级做到了现在的亚微米级，60年间身形缩小了成千上万倍。一块集成电路上的晶体管数量也从1971年英特尔首款CPU的2300颗暴涨到了如今的超过10亿颗。

遗憾的是，晶体管很可能已没法变得更小。理论物理学家指出，晶体管一旦小到5个硅原子的宽度(约1纳米)，电子的运行将不受控制。

然而，由惠普公司研制的用晶体管和忆阻器混合组成的3D芯片证明，以前要多个晶体管方能完成的任务，现在只需一个忆阻器就可胜任。

惠普公司的专家们认为，未来忆阻器很有可能全部代替晶体管，具有动摇整个电子工业硬件行业的潜力。

3.4开创模拟存储新纪元

业界权威认为，忆阻器更具“杀手级应用”的潜质体现在模拟存储领域。鉴于忆阻器能够连续记忆很多阻值，所以在理论上可以达到任意精度，能够直接实现模拟存储。

特别是数字时代来临，忆阻器的出现，为这种更接近人类信息存储方式的“新生”带来了希望。

专家声称：那种认为数字一定击败模拟的看法，已经过时了。有时候数字要讲精确，但很多时候我们并不需要那么精确。过去模拟信号处理存储难度很大，但忆阻器为突破这一困难提供了条件。

可以推测，未来很可能产生多个版本的忆阻器：惠普忆阻器、英特尔忆阻器、IBM忆阻器、苹果忆阻器等，而模拟存储器将是各种忆阻器大显神威的领域。

3.5助推三维芯片技术取得重大突破

为了提高存储密度，多年来，专家们致力于三维芯片的研发，尽管取得了一定成效，但由于受制于晶体管体积极限的制约，难以有大的突破。

而忆阻器对于晶体管而言，在相同功率下，体积可以缩小一个数量级，为推进芯片堆叠技术创造了极为有利的条件。

2008年，美国惠普公司推出了世界第一个三维多层忆阻器混合芯片。该芯片使用压印光刻技术，把一个忆阻器交叉开关矩阵，叠加到一块CMOS逻辑电路上，由此来实现FPGA中的配置，从而组成了一个晶体管与忆阻器的集成混合电路。

惠普实验室研发出的应用忆阻器的FPGA，为CMOS晶圆厂研制忆阻器和晶体管的三维混合集成电路芯片指明了方向。

3.6突破摩尔定律

从全球芯片技术的发展来看，现在处于主流的生产技术达到20 nm工艺水平，虽然在2015年初台湾台积电公司已经开始量产16 nm工艺芯片，但是等到大批量被应用到产品中，还需要等到2016年。据悉：美国英特尔公司和韩国三星公司已具备了14 nm工艺芯片的生产能力；英国ARM公司已经开始和台湾台积电公司合作，计划在2016年开始生产10 nm工艺新品。

但是，限于目前的光刻扫描仪是10 nm的水平，业界普遍认为，半导体技术已逼近极限，10纳米也自然成为摩尔定律的极限。

然而，忆阻器的发展，大大突破了摩尔定律的限制，由于单个忆阻器的尺寸只有3纳米左右，状态转换时间短至0.1纳秒，基本与DRAM相当。而且由于忆阻器可构成阵列和进行多层堆叠，把它作为存储器，其容量每平方厘米可达100 GB，每立方厘米可达1000 TB。其存储密度、功耗、读写时间大大优于闪存。尤其是存储密度竟然能与磁性存储器相媲美。

由于忆阻器只有3纳米的尺寸，不仅可以突破芯片10纳米的极限，而且因为它具有完全不同于晶体管的电学特性，一个忆阻器具有10个晶体管的功率，且体积更小，故可使集成电路芯片上能够容纳的忆阻器个数及其电性能指标，全面突破约每隔一年半时间提升一倍速度的限制。

同时，由于忆阻器不但能够用于存储，还能作二进制布尔运算，并有希望开发出融存储与处理于一体的新型器件，所以从理论上来讲，忆阻器完全可以替代现在所有的数字逻辑电路。再者，由于忆阻器是无源元件，还具有节能功能。

所有这些，都充分表明，忆阻器不仅可延续摩尔定律，而且可大大突破摩尔定律。

4结语

当今世界，信息化水平日益提高，而集成电路芯片技术对一个国家的电子科技水平和社会信息化程度无疑具有决定性作用，它已成为各行各业实现自动化和智能化的基础，不管是在国防军工[6]还是在工业民用领域，其作用都是难以取代的。

然而，从1960年世界第一块集成电路诞生至今，经历半个多世纪的高速推进，人们忽然发现，芯片技术似乎已经走到了尽头，难以继续进展。正在人们为如何持续发展无奈彷徨之际，记忆元件的问世，为人们带来了突破芯片技术极限，引领电子科技发展，推动电子信息产业重崛起再辉煌的无限希望。

目前，世界各国争相研发这类高新产品，我国也应紧紧抓住这一千载难逢的历史机遇，紧密跟踪记忆元件科技前沿，精准找好切入点，奋力抢占制高

点，为建设信息化强国、科技强国、军事强国和经济强国奠定雄基，创造条件。

参考文献：

[1]李超辈.基于记忆元件的突触电路研究[D].重庆：重庆大学计算机学院，2013,4:1-57.

[2]记忆电阻器[EB/OL].中国百科网主页/电子元器件/电阻器http://www.chinabaike.com/t/30888/2015/1005/3450673.html,2015，10，05.

[3]方陵生.记忆电阻器与人工智能[J].世界科学，2009，(10):17-20.

[4]我院本科生在ACS Nano撰文报道记忆电感器件[EB/OL].清华大学材料学院网主页/重要新闻http://www.tsinghua.edu.cn/publish/mse/142/2014/20141008110033278970243/2014100811003327897 0243_.html,2014,10,12.

[5]孔祥新.一种具有记忆功能的电容器金属化薄膜[P].CN 104312007 A,2015,01,28.

[6]于凌宇，姜衍仓.世界新概念武器研发态势与我国战略对策[J].中国电子科学研究院学报, 2011,(04):358-362.

于凌宇(1957—)，男，河南濮阳人，工学学士，三级教授，主要研究方向为电子元件与材料；

E-mail：ylycn@126.com

刘夏飞(1985—)，男，河南焦作人，理学学士，主要研究方向为光电科技。

Nano Memory Element to Promote The Electronic Science and Technology to Achieve a Major Breakthrough

YU Ling-yu1,LIU Xia-fei2

(1.Puyang College of engineering, Henan University;,Puyang Henan 457000,China;2.Puyang Municipal People's Air Defense Office,Puyang Henan 457000,China)

Abstract:In this paper, the connotation and working mechanism of nano memory element are described, research and development progress of memory element at home and abroad is discussed, this paper also makes in-depth analysis major breakthrough on electronic science and technology of memory element. It is instructive and helpful technologically for our country to keep up with the science and technology development of memory elements, to find the breakthrough points and to seize the leading position internationally.

Key words:Memory element;Memory resistor;Memory capacitor;Memory inductor; Research and development; breakthrough

作者简介

中图分类号：TN60

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)01-015-06

收稿日期：2015-11-15

修订日期：2016-02-02

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.003